FR2969270A1 - Boite collectrice d'un echangeur de chaleur et echangeur de chaleur comportant une telle boite. - Google Patents

Abstract

Boîte collectrice (11) permettant l'introduction d'un premier fluide dans un échangeur (1) dans lequel ledit premier fluide circule dans des tubes (2). Ladite boîte collectrice (11) comprend une zone, dite zone isolante (20), configurée de sorte qu'elle permette une diminution de la température dudit premier fluide avant qu'il n'entre dans une portion des tubes (2) en contact avec un deuxième fluide circulant dans l'échangeur (1). L'invention concerne également un échangeur comprenant ladite boîte collectrice.

Description

Boîte collectrice d'un échangeur de chaleur et échangeur de chaleur comportant une telle boîte. L'invention concerne une boîte collectrice d'un échangeur de chaleur et un échangeur de chaleur comportant une telle boîte.

Elle trouvera ses applications, par exemple, en tant que refroidisseur d'air de suralimentation (RAS), notamment pour véhicule automobile. Dans ce domaine, il est connu des échangeurs comprenant un faisceau de tubes disposés parallèlement les uns aux autres sur une ou plusieurs rangées parallèles entre elles, ces tubes étant agencés pour transporter un premier fluide, tandis qu'un deuxième fluide s'écoule entre les tubes et échange de la chaleur avec le premier fluide. De nombreuses associations de fluides peuvent être envisagées, qu'il s'agisse de liquides et/ou de gaz. Dans l'application évoquée plus haut, le premier fluide est de l'air de suralimentation et le second est un liquide caloporteur.

L'échangeur comporte un carter de réception des tubes qui comprend une pluralité de parois formant le volume dans lequel sont reçus les tubes. Il est ouvert à ses deux extrémités pour que les tubes puissent être reliés à des boîtes collectrices : une boîte collectrice d'entrée et une boîte collectrice de sortie. Le premier fluide s'écoule dans les tubes depuis la boîte collectrice d'entrée vers la boîte collectrice de sortie. Le deuxième fluide s'écoule autour des tubes, depuis une canalisation d'entrée vers une canalisation de sortie, et échange de la chaleur avec le premier fluide.

Les boîtes collectrices comportent chacune un collecteur de maintien des tubes et des couvercles montés sur les collecteurs. Les tubes passent au travers d'orifices ménagés dans les collecteurs et débouchent dans les boîtes collectrices de fluide. Dans le cas où le deuxième fluide s'écoulant autour des tubes est un liquide, si le premier fluide qui arrive au contact du collecteur de la boîte collectrice d'entrée a une température élevé, ceci peut entraîner un phénomène d'ébullition du deuxième fluide présent à proximité du collecteur, plus communément appelé phénomène de cavitation. Ce phénomène de cavitation peut entraîner à son tour la création d'une multitude de petites piqûres au niveau des tubes et du collecteur accélérant un phénomène de corrosion et augmentant ainsi le risque de fuite de l'échangeur.

La présente invention a pour but de remédier au problème précité. Elle propose à cet effet, une boîte collectrice permettant l'introduction d'un premier fluide dans un échangeur dans lequel ledit premier fluide circule dans des tubes.

10 Selon l'invention, ladite boîte collectrice comprend une zone, dite zone isolante, configurée de sorte qu'elle permette une diminution de la température dudit premier fluide avant qu'il n'entre dans une portion desdits tubes en contact avec un deuxième fluide circulant dans l'échangeur.

15 Ainsi, ladite zone isolante permettra d'éviter que le premier fluide commence à échanger de la chaleur avec le second fluide alors que ledit premier fluide est encore à une température trop élevée.

Selon un aspect de la présente invention, ladite boîte collectrice comporte un 20 collecteur, dit premier collecteur, apte à être traversée par des tubes de circulation du premier fluide et dans laquelle ladite zone isolante est configurée de sorte qu'elle puisse isoler thermiquement ledit premier fluide entrant dans lesdits tubes, d'une portion du deuxième fluide circulant dans l'échangeur à proximité dudit premier collecteur. 25 Selon un aspect de la présente invention, ladite zone isolante est située entre ledit collecteur et un deuxième collecteur également apte à être traversé par lesdits tubes. Ainsi, ledit premier fluide qui entre dans lesdits tubes au niveau dudit deuxième collecteur, n'échangera de la chaleur avec ledit deuxième fluide 30 directement à travers la paroi des tubes qu'après avoir traversé la zone d'isolation. Autrement dit, ledit premier collecteur n'est pas directement en contact avec ledit premier fluide.5 Selon un aspect de la présente invention, ledit deuxième collecteur possède des bords relevés. Ce bord relevé facilitera le brasage du collecteur.

Selon un aspect de la présente invention, ledit deuxième collecteur possède des orifices de passage desdits tubes en correspondance d'orifices de passage desdits tubes du premier collecteur.

Selon un aspect de la présente invention, lesdits premier et deuxième collecteurs formant ladite zone isolante sont identiques. Le procédé de fabrication desdits premier et deuxième collecteurs est ainsi simplifié et leur coût de production diminué.

Selon un aspect de la présente invention, ladite zone isolante est remplie d'un fluide, par exemple d'air et/ou d'azote. Selon une variante, elle est au vide, au moins partiellement. Autrement dit, elle présente une pression très inférieure à la pression atmosphérique. A ce sujet, ladite zone isolante est étanche.

Selon un aspect, ladite zone isolante est ouverte via des orifices vers l'air extérieur, autrement dit vers l'air ambiant.

Selon un aspect de la présente invention, lesdits collecteurs formant ladite zone isolante sont séparés d'une distance de 1 mm à 20 mm. Cette plage de distance permet d'obtenir un refroidissement du premier fluide suffisant pour ne pas engendrer un phénomène de cavitation du deuxième fluide tout en limitant l'encombrement.

L'invention concerne également un échangeur de chaleur qui comporte une boîte collectrice de fluide, telle qu'elle est définie précédemment. De préférence, l'échangeur de chaleur avec sa boîte collectrice de fluide est un RAS d'un système d'alimentation en gaz d'admission d'un moteur thermique pour véhicule automobile ou analogue. L'échangeur présente, par exemple, la structure évoquée plus haut.

Les figures annexées feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.

La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un échangeur de chaleur comprenant une boîte collectrice conformément à l'invention.

La figure 2 est une vue schématique partielle d'une coupe selon un plan horizontale parallèle à l'axe longitudinale des tubes de l'échangeur de chaleur de la figure 1.

L'invention pourra trouver son application dans un échangeur de chaleur tel que représenté sur la figure 1. Cet échangeur est, par exemple, un refroidisseur d'air de suralimentation (RAS), notamment, pour véhicule automobile.

L'échangeur de chaleur 1 pourra comprendre un faisceau de tubes parallèles 2 de circulation d'un premier fluide, notamment de l'air de suralimentation, un carter 4 de réception ou logement de ces tubes 2, une boîte collectrice 11 d'entrée dudit premier fluide et une boîte collectrice de sortie dudit premier fluide, non représentée.

Le carter 4 comporte des orifices 6, 7 de connexion à des canalisations d'écoulement d'un deuxième fluide, notamment un liquide caloporteur, reliées à une boucle de circulation dudit deuxième fluide dans laquelle l'échangeur 1 est monté. Dans la forme de réalisation décrite, les différents éléments de l'échangeur 1 sont brasés les uns aux autres.

L'échangeur 1 décrit est un échangeur dit "air-eau", c'est-à-dire un échangeur dans lequel les fluides qui échangent de la chaleur sont l'air et l'eau. Ledit premier fluide est ici de l'air et ledit deuxième fluide, de l'eau. Ledit deuxième fluide est de préférence de l'eau d'un circuit de refroidissement dit "basse température" du véhicule; il s'agit typiquement d'eau glycolée.

En référence à la figure 1, l'échangeur 1 est globalement de forme parallélépipédique. Par convention et pour simplifier sa description, on définit la direction L par la longueur de l'échangeur 1, qui est sa plus grande dimension, et dans la direction de laquelle s'écoulent les fluides, la direction I par la largeur de l'échangeur 1 et la direction h par sa hauteur (ou épaisseur). D'ailleurs, sur les figures, on forme un repère cartésien (L, I, h) sur la base de ces directions perpendiculaires entre elles. En outre, les notions d'externe (ou extérieur) et interne (ou intérieur) utilisées dans la description se réfèrent à des positions relatives d'éléments par rapport à l'extérieur ou l'intérieur de l'échangeur 1.

Toujours en référence à la figure 1, les tubes 2 de circulation dudit premier fluide sont par exemple de forme aplatie. Leur grande dimension (qui est la direction globale de l'écoulement de dudit premier fluide en leur sein) est parallèle à la direction de la longueur L de l'échangeur 1 et leur section transversalement à cette longueur L est de forme sensiblement rectangulaire, arrondie aux sommets ; le rectangle dont la section de chaque tube 2 a la forme présente une dimension parallèle à la largeur I de l'échangeur 1 et une dimension parallèle à la hauteur h de l'échangeur 1. Ils pourront être disposés en un ou plusieurs rangs dans le ou lesquels ils sont empilés, parallèlement les uns aux autres, dans la direction h.

Dans les tubes 2 sont éventuellement montées des ailettes 2' de perturbation de l'écoulement dudit premier fluide permettant de faciliter les échanges thermiques entre ledit premier fluide et ledit deuxième fluide au travers des parois des tubes 2. Ces ailettes 2' sont par exemple de forme ondulée.

Entre les tubes 2 des canaux 3 d'écoulement dudit deuxième fluide sont définis. Ils pourront être munis de perturbateurs (non représentés) de l'écoulement dudit deuxième fluide.

Cet écoulement se fait de préférence à contre-courant c'est-à-dire dans le sens contraire du sens d'écoulement dudit premier fluide. Les perturbateurs se présentent sous la forme de plaques qui s'étendent sensiblement sur toute la surface latérale des tubes 2 (on parle, par surface latérale, de la surface des tubes 2 définie par les dimensions parallèles à la longueur L et à la largeur I de l'échangeur 1) et dans tout l'espace entre deux tubes 2 successifs auxquels ils sont brasés ; des perturbateurs sont également prévus entre les tubes 2 d'extrémités et les parois du carter 4. Les perturbateurs ont une forme créant des turbulences dans l'écoulement dudit deuxième fluide passant à travers eux pour favoriser les échanges thermiques.

Comme évoqué plus haut, l'échangeur 1 comporte, à chacune de ses extrémités (dans la dimension de sa longueur L), une boîte collectrice dudit premier fluide. Du côté droit (sur la figure 1), il s'agit de la boîte collectrice 11 d'entrée dudit premier fluide et, du côté gauche, de la boîte collectrice de sortie dudit premier fluide. Les extrémités des tubes 2 de circulation dudit premier fluide sont connectées aux boîtes collectrices dudit premier fluide, le volume intérieur des tubes 2 étant ainsi en communication fluidique avec le volume intérieur desdites boîtes collectrices; autrement dit, les tubes 2 débouchent dans lesdites boîtes collectrices. Lesdites boîtes collectrices sont reliés à des canalisations d'un circuit dudit premier fluide dans lequel est monté l'échangeur 1. Ledit premier fluide est introduit dans les tubes 2 par l'intermédiaire de la boîte collectrice 11 d'entrée dudit premier fluide et est recueilli en sortie des tubes 2 par la boîte collectrice de sortie dudit premier fluide.

Selon l'invention, ladite boîte collectrice 11 d'entrée dudit premier fluide comprend une zone, dite zone isolante 20, configurée de sorte qu'elle permette une diminution de la température dudit premier fluide avant qu'il n'entre dans une portion desdits tubes 2 en contact avec ledit deuxième fluide circulant dans l'échangeur 1.

Ceci est particulièrement illustré à la figure 2 où ledit premier fluide arrivant dans la boîte collectrice est obligé de passer à travers une zone isolante 20, permettant de diminuer sa température avant qu'il n'échange de la chaleur avec ledit deuxième fluide à l'intérieur du carter 4.

De préférence, ladite boîte collectrice comprend un collecteur 10, dit premier collecteur, apte à être traversée par lesdits tubes 2 de circulation du premier fluide.

Ladite zone isolante 20 est alors configurée de sorte qu'elle puisse isoler thermiquement ledit premier fluide entrant dans lesdits tubes 2, d'une portion du deuxième fluide circulant dans l'échangeur 1 à proximité dudit premier collecteur 10.

La fonction du collecteur 10 est, notamment, de maintenir les tubes 2 en position et d'empêcher l'écoulement dudit deuxième fluide vers le volume intérieur de la boîte collectrice. Autrement dit, le collecteur 10 assure l'étanchéité entre ledit deuxième fluide et la zone isolante.

Dans l'exemple illustré à la figure 2, ladite zone isolante est située entre ledit collecteur et un deuxième collecteur 10' également apte à être traversé par lesdits tubes 2. Ainsi, ledit premier fluide qui entre dans lesdits tubes 2 au niveau dudit deuxième collecteur 10', n'échangera de la chaleur avec ledit deuxième fluide qu'après avoir traversé la zone d'isolation. Autrement dit, ledit premier collecteur 10 n'est pas dans ce cas directement en contact avec ledit premier fluide.

De préférence, mais non exclusivement, ledit deuxième collecteur 10' possède des bords relevés 13. Ledit premier collecteur 10 possède également des bords relevés 13. Ces bords peuvent être présents, notamment, sur l'intégralité de la périphérie desdits premier et deuxième collecteurs 10, 10'.

Ainsi, lesdits premier et deuxième collecteurs 10, 10' sont brasés au niveau d'une surface de bord relevé 13. Lesdits bords relevés 13 permettent un positionnement plus simple desdits collecteurs 10, 10' avant leur brasage mais aussi un meilleur maintien après le brasage, puisque la surface de contact (et donc de brasage) est plus importante que si lesdits premier et deuxième collecteurs 10, 10' étaient brasé le long d'une tranche.

Lesdits bords relevés 13 peuvent être repliés dans un sens ou dans l'autre, autrement dit vers l'extérieur ou vers l'intérieur de l'échangeur 1, respectivement.

Lesdits collecteurs 10, 10' se présentent sous la forme d'une plaque montée transversalement à la longueur L de l'échangeur 1 pour recevoir les extrémités des tubes 2. Lesdits collecteurs 10, 10' sont percés d'une pluralité d'orifices 12, chaque orifice 12 étant associé à un tube 2. De préférence, les orifices dudit deuxième collecteur sont en correspondance desdits orifices dudit premier collecteur. Chaque orifice 12 a une forme correspondant à la section d'un tube 2 et pourra être bordé par des parois ou collets ou rebords de contention de l'extrémité desdits tubes 2 et de maintien de ces derniers en position ; les collets remplissent par ailleurs une fonction de rigidification du collecteur 10.

Comme représenté sur les figures 1 et 2, lesdits premier et deuxième collecteurs 10, 10' formant ladite zone isolante peuvent être identiques.

La zone isolante 20 illustrée sur la figure 2 est remplie d'un fluide améliorant notamment ses propriétés d'isolation thermique. Ce fluide peut être, par exemple, de l'air ou de l'azote. Ladite zone isolante 20 pourra aussi être tirée au vide et ceci de manière étanche et permanente. Une autre possibilité de l'invention est que ladite zone isolante soit ouverte via des orifices vers l'air extérieur autrement dit vers l'air ambiant.

Dans le cas de l'azote, il pourrait être introduit dans ladite zone isolante 20 lors du procédé de brasage dit sous atmosphère contrôlé connu de l'homme du métier.

Dans le cas du tirage au vide, celui-ci pourrait être effectué dans ladite zone 20 isolante 20 lors du procédé de brasage dit sous vide également connu de l'homme du métier.

Avantageusement, lesdits collecteurs 10, 10' formant ladite zone isolante 20 sont séparés d'une distance D de 1 mm à 20 mm. Cette distance D mesure la 25 profondeur interne de ladite zone isolante selon L, c'est-à-dire la distance entre deux parois face à face desdits premier et deuxième collecteurs 10, 10' délimitant ladite zone isolante 20. Cette plage de distance permet d'obtenir un refroidissement du premier fluide suffisant pour ne pas engendrer un phénomène de cavitation du deuxième fluide tout en limitant l'encombrement. 30 Ladite boîte collectrice 11 comprend en outre, par exemple un couvercle 8 sur lequel les collecteurs 10, 10' sont fixés. Ledit couvercle 8 pourra être muni d'une tubulure 9 d'entrée/sortie du premier fluide. Dans l'exemple illustré, le couvercle 8 est défini au moins en partie par un prolongement du carter 4 sur lequel les collecteurs 10, 10' sont assemblés.

Ladite zone isolante 20 pourra ainsi être délimitée entre lesdites parois desdits premier et deuxième collecteurs 10, 10' et une portion dudit couvercle 8.

Le carter 4 comporte, dans la forme de réalisation présentée, deux parois 15, 16 conformées en L et brasées entre elle autour desdits tubes 2. Les canalisations d'entrée et de sortie dudit deuxième fluide dans l'échangeur 1 sont ici connectées à une même face de l'échangeur 1, au niveau des zones 21, 22 formant collecteur.

L'invention concerne également un échangeur de chaleur tel que représenté sur la figure 1 et qui présente la structure évoquée plus haut. Il comporte ainsi une boîte collectrice de fluide, formant boîte collectrice d'entrée, telle qu'elle est définie précédemment. De préférence, l'échangeur de chaleur avec sa boîte collectrice de fluide est un RAS d'un système d'alimentation en gaz d'admission d'un moteur thermique pour véhicule automobile ou analogue. L'échangeur présente, par exemple, la structure évoquée plus haut.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Boîte collectrice (11) permettant l'introduction d'un premier fluide dans un échangeur (1) dans lequel ledit premier fluide circule dans des tubes (2), caractérisée par le fait que ladite boîte (11) comprend une zone, dite zone isolante (20), configurée de sorte qu'elle permette une diminution de la température dudit premier fluide avant qu'il n'entre dans une portion desdits tubes (2) en contact avec un deuxième fluide circulant dans l'échangeur (1).
2. 2. Boîte collectrice (11) selon la revendication 1, comportant un collecteur (10), dit premier collecteur, apte à être traversée par lesdits tubes (2) de circulation du premier fluide et dans laquelle ladite zone isolante (20) est configurée de sorte qu'elle puisse isoler thermiquement ledit premier fluide entrant dans lesdits tubes (2), d'une portion du deuxième fluide circulant dans l'échangeur (1) à proximité dudit premier collecteur (10).
3. 3. Boîte (11) selon la revendication 2, dans laquelle la zone isolante (20) est située entre ledit premier collecteur (10) et un deuxième collecteur (10') également apte à être traversé par lesdits tubes (2).
4. 4. Boîte (11) selon la revendication 3, dans laquelle le deuxième collecteur (10') possède des bords relevés (13).
5. 5. Boîte (11) selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle le deuxième 25 collecteur (10') possède des orifices de passage desdits tubes (2) en correspondance d'orifices de passage desdits tubes (2) du premier collecteur (10).
6. 6. Boîte (11) selon la revendication 3, dans laquelle les deux collecteurs formant ladite zone isolante (20) sont identiques.
7. 7. Boîte (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite zone isolante (20) est remplie d'un fluide. 30
8. 8. Boîte (11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle ladite zone isolante (20) est au moins partiellement au vide ou remplie d'air et/ou d'azote.
9. 9. Boîte (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite zone isolante (20) est étanche.
10. 10. Boîte (11) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle ladite zone isolante (20) est ouverte via des orifices vers l'air extérieur.
11. 11. Boîte (11) selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, dans laquelle lesdits collecteurs formant ladite zone isolante (20) sont séparés d'une distance de 1 mm à 20 mm. 15
12. 12. Echangeur de chaleur (1) caractérisé en ce qu'il comprend au moins une boîte collectrice (11) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 20 25 30